信号不间断,时延仅为秒级……天地通话为什么如此清晰?

  中央纪委国家监委网站柴雅欣 薛鹏报道 “我们在北京等候各位凯旋!”6月23日上午,习近平总书记来到北京航天飞行控制中心,同正在天和核心舱执行任务的神舟十二号航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波亲切通话,代表党中央、国务院和中央军委,代表全国各族人民,向他们表示诚挚问候。


  天地隔万里,天地通话看上去却与在地球上无异,这是怎样实现的?图像、话音如何传输?背后有哪些科技支撑?记者就此采访了相关专家。


党的百年华诞到来之际,在中国人自己的空间站进行首次天地通话


  “敬礼!”上午9时40分,习近平总书记起身,走到前方指挥席,大屏幕传来的清晰画面里,3名航天员精神饱满,声音洪亮,向习近平总书记敬礼。


信号不间断,时延仅为秒级……天地通话为什么如此清晰?

  2021年6月23日,神舟十二号航天员首次进行天地通话。(视频截图)


  习近平总书记非常关心三位航天员的身体、生活状况以及工作进展,指出“你们是进驻天和核心舱的首批航天员,将在太空驻留3个月时间。你们在太空的工作生活情况,时刻牵动着全国人民的心”,亲切询问“你们现在身体怎么样、生活怎么样?工作顺利吗?”


  视频画面中,聂海胜、刘伯明、汤洪波依次向习近平总书记汇报情况。他们身后,鲜艳的党旗和五星红旗闪耀在天和核心舱。


  “我们一定牢记总书记指示,不辱使命、不负重托,坚决完成各项任务。”执行神舟十二号航天任务的指令长聂海胜在通话时说。


天地通话一“链”牵,信号不间断,网速还超快


  在距地面约3.6万公里的高空,太空数据中转站——由天链一号03星、04星,天链二号01星共3颗中继卫星组成的天基测控系统实时保障着这场天地通话。


信号不间断,时延仅为秒级……天地通话为什么如此清晰?

  天和核心舱、神舟十二号、天舟二号组合体飞行画面。(视频截图)


  “本次天地通话需要空间站、天链中继卫星系统、地面站三方面共同完成。”天链二号01星副总设计师李向阳告诉记者,地面通话信息先从地面站通过星地上行链路到达天链中继卫星,此时,中继卫星的星间链路天线正精准跟踪着空间站。中继卫星收到地面站的通话信息后,再通过自身的星间链路天线传输给空间站的中继天线,这样航天员就接收到了来自地面的通话信息。同样,航天员给地面的通话信息也依次通过空间站中继天线、天链中继卫星、星地下行链路等传输到地面站。


  中继卫星是服务于航天器的卫星,被称为“卫星的卫星”,可以“居高临下”观测在中低轨道运行的航天器,将获得的数据回传到地面站。在天链中继卫星投入使用之前,我国主要通过地面测控站实现对中低轨航天器的跟踪监控和通信传输。然而,空间站约90分钟绕地球一圈,受地球曲率遮挡等影响,多数时间无法和地面测控系统实时联系,信号中断是常有的事。


  2003年,杨利伟搭乘神舟五号载人飞船升空,中国人首次进入太空。其间,他数次与地面控制站进行天地通话,但由于地面测控的局限,每次都有严格的时间窗口限制。


  同年,天链一号中继卫星系统工程立项。从2008年到2016年,第一代4颗天链卫星相继升空,我国也在此期间成为世界上第二个拥有全球覆盖能力中继卫星系统的国家。2019年,天链二号01星升空,成为我国自主研制的第二代地球同步轨道数据中继卫星的首颗星。


  第二代中继卫星与第一代并非替代关系,而是相互配合,共同发力,更好地发挥数据中转站作用。此次流畅、清晰、高质量的天地通话,正是天链家族联手保障能力的一次完美检阅。


天地通话既是情感交流也是技术展示,神奇的天地通信系统让天地之间不再遥远


  我国正式应用天地通话技术,是从杨利伟搭乘神舟五号飞天开始的,当时天地通话技术刚起步,带宽很低,杨利伟只能听到地面的声音,看不到画面;地面人员看到杨利伟的画质也不是很清晰,而且时常“卡壳”。


  神舟九号时,我国天地通话技术也进入第二阶段:实现了双向可视的通话;由于带宽改善,图像变得越来越清晰,三位航天员在舱内的实时场景都能清楚展示在地面通信系统屏幕上。


  等到神舟十号,天链中继卫星系统已实现三星组网,天地通话技术进入第三阶段,通话时长更长。得益于此,首次“太空授课”完美上演,40多分钟的课程清晰连贯。据介绍,当时采用的是蓝牙通信技术,在点对点传播的基础上,实现了三名航天员间、航天员与地面间的通话。


  2016年,在天宫二号上,航天员可以随时和地面沟通信息,收发电子邮件,与亲朋好友进行音视频交流。其中,语音传输采用国际先进的编解码方案,突破了以往只能抓取基本生活语气的瓶颈,在太空极端物理环境下实现高质量语音通信。


信号不间断,时延仅为秒级……天地通话为什么如此清晰?

  2021年6月23日,神舟十二号航天员首次进行天地通话。图为北京航天飞行控制中心的监控画面。(视频截图)


  这一次,天地通话画质高清、传输迅速,效果与我们平时网络视频通话效果几无差别。据了解,用于此次天地通话的图像、话音及其通信产品由航天科技集团八院研制,该院研制的空间站话音处理器实现了三个首次:首次实现对航天器内部的各个通话终端进行实时维护与管理,首次采用数字混音技术实现各个终端之间互相通话,首次通过上注等方式对各种音频参数进行动态调整。


航天员在舱内互相通话或与地面通话时,能通过佩戴WiFi头戴而自由活动


  空间站与空间实验室(天宫一号、天宫二号)相比,最大的不同是增加了天地互联网通信系统,空间站天地间的通信速率是空间实验室的8倍。通过空间以太网交换机组成的在轨通信网交换网络和天地网关系统,天地间的互联网融为一体,航天员使用随身携带的手持摄像机和平板电脑,通过WiFi热点接入网络,便可像在家一样尽情上网。


信号不间断,时延仅为秒级……天地通话为什么如此清晰?

  航天员聂海胜在天和核心舱中工作。(视频截图)


  为方便航天员在舱内自由活动,航天科技集团五院总体设计部测控与通信分系统的设计师们采用了先进的WiFi通信技术,取代了传统的有线头戴通信,并在舱内多点进行布设,确保信号覆盖无死角。据易予生介绍,航天员在舱内互相通话或与地面通话时,能通过佩戴WiFi头戴而自由活动,不再受电缆束缚,工作效率极大提高。


  神奇的天地通信系统,让天地之间不再遥远。据易予生介绍,在驻留空间站的3个月里,航天员不仅可以与地面进行音视频通信、收发电子邮件,还可以收看电视节目、与家人进行私密通话。


  “航天员家属在地面可通过专用电话与航天员进行点对点私密通话,地面工作人员都听不到。”易予生说。


太空家园温馨舒适,背后是中国航天自立自强的铿锵脚步


  从神舟五号通话时只能听到地面声音、看不到地面画面,到神舟九号实现天地间双向可视通话,再到天和核心舱安上WiFi,实现信号不间断、网速还超快的天地通话,温馨舒适的太空家园背后是中国航天自立自强的铿锵脚步。


  透过中继卫星系统建设可以看到,我国已经走出了一条符合国情、技术上自主创新的道路:不依靠国外建站,实现对用户航天器全球覆盖;突破了星上自主闭环精密捕获跟踪等关键技术,解决了高速运动航天器之间跟踪与高速数据中继问题;建立了星-星、星-地技术体制和全程链路指标体系。


信号不间断,时延仅为秒级……天地通话为什么如此清晰?

  分屏显示聂海胜操作天和核心舱机械臂。(视频截图)


  “后续我们将执行两次出舱活动和操作机械臂等一系列技术验证试验,我们一定精心操作,确保各项试验圆满顺利。”刘伯明在汇报情况时,提到了后续的工作计划。


  根据公开信息,中国空间站核心舱上的机械臂是我国目前智能程度最高、难度最大、系统最复杂的空间智能制造系统,是对人类手臂的最真实还原。该机械臂可以移动空间站中的实验舱,能给航天员提供各种强大支持。


  作为人类历史上规模最大的航天器,空间站代表当今航天领域最全面、最复杂、最先进和最综合的科学技术成果。按照空间站建造任务规划,我国在今明两年还将实施8次飞行任务,2022年完成空间站在轨建造,建成国家太空实验室。


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